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红外数字全息综合性教学实验设计
黄昊罛;李子健;王亚芳;郑志远;孙德新
【期刊名称】《实验室研究与探索》
【年(卷),期】2024(43)3
【摘要】红外数字全息是一种新兴的三维波前相衬成像技术。
构建了短波红外同轴数字全息成像光路,采用角谱法重建了模拟及实验样品的复振幅分布;通过基于最小二乘法的相位解包裹算法和误差评价判据,量化了环境噪声对全息图像的影响。
以仿真和实验结果验证了该技术作为一种高效易用的红外成像教学工具的可行性,并构建了实验流程体系。
与传统可见光全息实验相比,其优势在于有效抑制了全息干板易被环境光污染等缺点。
【总页数】7页(P151-157)
【作者】黄昊罛;李子健;王亚芳;郑志远;孙德新
【作者单位】中国地质大学(北京)数理学院;中国科学院上海技术物理研究所
【正文语种】中文
【中图分类】O4-33
【相关文献】
1.广义相移数字全息反射物体成像实验设计
2.利用数字模拟预测干板全息成像质量的实验设计
3.“数字信号处理”课程综合性实验设计
4.基于网络数字化资源构建的综合性实验设计——以AIE型二噻吩乙烯类材料的合成及性能研究为例
5.计算全息综合性光电教学实验设计
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全息技术应用实验报告1. 引言全息技术是一种将三维物体的信息以全息图的形式进行记录和重现的技术。
全息图具有真实感强、逼真度高的特点，因此在很多领域有广泛的应用前景。
本实验旨在通过搭建简单的全息投影实验装置，了解全息技术的基本原理和应用。
2. 实验装置和原理实验所需的装置主要包括激光器、分束器、反射镜和全息底片。
激光器用于产生单色、相干光源，而分束器则将激光器发出的光线分为两束。
其中一束光线照射到被记录物体上，这部分光线被物体反射或透过后与另一束激光光线进行干涉。
通过干涉效应形成的光波干涉图案被记录到全息底片上。
在重现时，通过将读取光线照射到全息底片上，以全息底片记录时的光波干涉图案为参考，再次使光波干涉图案重现，形成立体的全息图。
3. 实验步骤3.1 实验准备首先，将实验所需的装置搭建起来。
激光器放置在平稳的支架上，并连接电源。
分束器与激光器通过适配器连接，反射镜放置在适当的位置，确保光线能够正确地照射到全息底片上。
3.2 全息底片的制备将底片片放置在清洁的玻璃片上，然后在底片上制备一个均匀的薄膜。
将激光器发出的光线照射到带有薄膜的底片上，确保底片光泽度良好。
调整光线的角度和位置，使光线能够正确地照射到底片上。
3.3 物体的记录和重现将准备好的物体放置在激光光线的路径上，确保物体与激光光线的干涉效应较强。
打开激光器并调整反射镜，使光线正确地照射到底片上。
如果光线的过程中与物体有干涉，将会记录下物体的全息图。
在重现时，将读取光线照射到底片上，使底片上记录的光波干涉图案重现。
通过调整和控制光线的角度和方向，实现全息图的立体效果。
4. 实验结果和讨论经过实验记录和重现，我们成功地制备并观察到了全息图的立体效果。
记录和重现的全息图具有良好的逼真度和真实感。
在观察全息图时，我们可以从不同的角度和距离来欣赏物体的立体特性。
通过对实验过程和结果的讨论，我们可以得出以下结论：- 全息技术是一种将三维物体信息以全息图的形式进行记录和重现的高级技术。
实验六相移数字全息成像光学全息术能够同时记录和重建物光的振幅和相位信息，获得原物的三维像，具有很好的立体记录和显示效果。
但由于传统光学全息使用干板作为记录介质，需要显影和定影等湿法处理才能获得全息图，给实验带来不便。
况且，传统光学全息再现时，难以给物像准确定位，其应用受到一定程度的限制。
数字全息利用光电记录器件(如光电耦合器件CCD)以数字化的方式记录全息干涉图的强度信息并输入计算机，使用相应算法进行数据处理，获得原始物的像。
它既拥有传统光学全息同时记录再现物波振幅及相位信息的优点，又避免了湿处理等不便之处，也可以实现物光的准确定位，方便准确地实施数据及图像的量化记录、处理等操作。
该技术已广泛应用于科学研究，工程技术和生物医学诊断等方面。
通常的数字全息技术采用离轴方式将再现的物像与零级项和孪生像分开，但由于当前记录器件的分辨率比传统全息干版低一到二个数量级，要求物光与参考光的夹角很小，这对数字全息的实际应用带来很大限制。
相移方法被引入引入数字全息后，形成相移数字全息，可在同轴记录的情况下消除零级项和孪生像，很好地解决了这一矛盾。
本实验利用最近发展起来的广义相移数字全息技术设计了不用相移器的相移数字全息实验。
在实验教学和科研中引入这一基于广义相移干涉术的数字全息实验，可以大幅减小实验成本，有利于相移数字全息的推广。
一、实验目的1．了解相移数字全息技术原理；2. 学会搭建数字全息光路；3. 学会调节两束相干光的干涉；4. 掌握相移数字全息中物光的恢复算法；5. 观察全息干涉图的分布特点。
二、实验仪器He-Ne 激光器、平面反射镜1和平面反射镜2 、分束器、合束器、扩束滤波准直系统、可变光阑、光强衰减片、分辨率板（物体）、CCD、计算机）。
图1 光学分辨率板图2 实验装置及光路图图2为相移数字全息的实验装置图，图中利用了的马赫曾德干涉光路。
由He-Ne 激光器发出的激光由扩束镜（显微物镜）、针孔滤波和透镜准直后形成宽口径平面波，经可变光阑后，光斑直径变为1厘米后，再经分束器形成两路：透射光和反射光。
数字像面全息实验数字像面全息技术可获得物体的数字显微图像,故也可称为数字显微像面全息技术，其在微观结构测量领域的应用研究具有重要意义。
它具有分辨率高、快速、非接触、无损的特点。
数字显微全息技术已发展为一种新的微观领域的测试工具, 并已应用于微机电系统/微电子机械系统检测、生物细胞测量、微观粒子成像和跟踪和聚合物粒子生长检测等领域。
数字全息过程包含两个过程:数字全息记录和数字虚拟再现。
在数字全息物理记录过程中,数字显微全息光路系统通常分无透镜系统和有透镜系统。
有透镜系统通常利用显微物镜将物体放大,将放大像看作记录物体,用CMOS （或CCD ）光敏器件数字记录微观物体放大像的物光波与参考光波的干涉场所形成的全息图,并用计算方法，计算出全息图的衍射场，数字再现得到微观物体放大的再现像。
通过对微观物体放大再现像的振幅和相位信息的定量测量,实现了对微观物场的定量测量。
当CMOS （或CCD ）光敏面置于成像系统像面上时,所记录的全息图就是物体的像面全息图。
本实验从理论上对数字像面全息进行了分析,以给出实验的理论依据。
实验目的1． 了解数字像面全息原理及其应用。
2． 记录和再现微小物体的数字像面全息图，并观察和分析获得的数字再像像。
实验原理1．数字像面全息图的记录显微像面全息记录光路的分析图如图1所示。
物体经0M 放大成像,放大的物光波与参考光波在CMOS 光敏面上干涉,并被其记录,形成物体的数字全息图。
为了便于分析,现只讨论一维情况。
忽略透镜的孔径效应,在费涅尔近轴近似条件下,记录在CMOS 上的物光波分布为o (x )={exp j k ( z 1 + z 2–d )/[2λ( z 2- d )z 1]}2/1⎰⎰o ( x 1)exp[j 12z k (x 0–x 1)2]× exp[- j f k 2x 02]exp[j )(22d z k -（x –x 0 )2]dx 1dx 0 (1) 式中,O ( x 1 ) 物场振幅透过率。
一、实验目的1. 了解全息术的基本原理和实验方法。
2. 掌握全息资料的制作和再现技术。
3. 通过实验，提高对全息技术的认识和应用能力。
二、实验原理全息术是一种利用光的干涉和衍射原理记录和再现物体的三维图像的技术。
其基本原理是利用激光束在记录介质上形成干涉条纹，从而记录物体的三维信息。
再现时，利用这些干涉条纹，通过光的衍射和干涉现象，恢复出物体的三维图像。
三、实验设备1. 全息实验台：包括激光器、分束器、扩束镜、全息干板、参考镜、物体台等。
2. 记录和再现设备：包括相机、显微镜、投影仪等。
3. 实验材料：全息干板、激光胶片、光学元件等。
四、实验步骤1. 准备实验材料（1）将全息干板裁剪成所需尺寸，并清洗干净。
（2）将光学元件安装到全息实验台上，调整光路，使激光束分为两束：物光束和参考光束。
2. 制作全息资料（1）将物体放置在物体台上，调整物体与全息干板的距离，使物体位于激光束的焦点附近。
（2）打开激光器，调整参考镜的角度，使参考光束与物光束相互干涉，在干板上形成干涉条纹。
（3）将干板曝光一定时间，使干涉条纹在干板上记录下来。
（4）关闭激光器，将干板取出，进行显影和定影处理。
3. 再现全息资料（1）将处理好的全息干板放置在投影仪的载物台上。
（2）调整投影仪的焦距，使全息图像清晰地投射到屏幕上。
（3）观察全息图像，观察其立体效果。
五、实验结果与分析1. 实验结果通过实验，成功制作了一幅全息资料，并成功再现了物体的三维图像。
观察到的全息图像具有较好的立体效果，能够清晰地展示物体的形状和细节。
2. 结果分析（1）在制作全息资料的过程中，需要注意以下几点：a. 确保激光束的稳定性，避免在曝光过程中出现抖动。
b. 调整参考镜的角度，使参考光束与物光束相互干涉，形成清晰的干涉条纹。
c. 控制曝光时间，避免曝光过度或不足。
（2）在再现全息资料的过程中，需要注意以下几点：a. 调整投影仪的焦距，使全息图像清晰地投射到屏幕上。
数字全息综合实验实验讲义前言传统全息实验通过干涉记录与衍射再现描述了物体的振幅与相位信息，并使用银盐或光致聚合物干板做为记录介质，通过使用不同浓度、温度的药液，经过显影定影，再现物体信息，拍摄过程对环境要求较高，冲洗存在一定的安全隐患，实验结果不方便进行二次开发。
数字全息实验使用高精度CMOS相机和空间光调制器件（SLM）进行采集和再现，降低了对环境（暗室、防震）的要求，免去了冲洗的不安全隐患，可以对数据进行二次开发，如滤波、存储、传输、加密安全等，坧展了全息的应用领域，使经典光学再现现现代风采。
1. 实验目的a.通过本实验掌握数字全息实验原理和方法；b.通过本实验熟悉空间光调制器的工作原理和调制特性；c.通过本实验理解光信息安全的概念和特点；2. 实验原理全息技术利用光的干涉原理，将物体发射的光波波前以干涉条纹的形式记录下来，达到冻结物光波相位信息的目的；利用光的衍射原理再现所记录物光波的波前，就能够得到物体的振幅（强度）和位相（包括位置、形状和色彩）信息，在光学检测和三维成像领域具有独特的优势。
由于传统全息是用卤化银、重铬酸盐明胶（DCG）和光致抗蚀剂等材料记录全息图，记录过程烦琐（化学湿处理）和费时，限制了其在实际测量中的广泛应用。
数字全息技术是由Goodman和Lawrence在1967年提出的，其基本原理是用光敏电子成像器件代替传统全息记录材料记录全息图，用计算机模拟再现取代光学衍射来实现所记录波前的数字再现，实现了全息记录、存储和再现全过程的数字化，给全息技术的发展和应用增加了新的内容和方法。
目前常用的光敏电子成像器件主要有电荷耦合器件CCD、CMOS传感器和电荷注入器件CID三类。
(一)数字全息技术的波前记录和数值重现过程可分为三部分：a.数字全息图的获取。
将参考光和物光的干涉图样直接投射到光电探测器上，经图像采集卡获得物体的数字全息图，将其传输并存储在计算机内。
b.数字全息图的数值重现。
本部分完全在计算机上进行，需要模拟光学衍射的传播过程，一般需要数字图像处理和离散傅立叶变换的相关理论，这是数字全息技术的核心部分。
c.重现图像的显示及分析。
输出重现图像并给出相关的实验结果及分析。
与传统光学全息技术相比，数字全息技术的最大优点是：(1)由于用CCD等图像传感器件记录数字全息图的时间，比用传统全息记录材料记录全息图所需的曝光时间短得多，因此它能够用来记录运动物体的各个瞬间状态，其不仅没有烦琐的化学湿处理过程，记录和再现过程都比传统光学全息方便快捷；(2)由于数字全息可以直接得到记录物体再现像的复振幅分布，而不是光强分布，被记录物体的表面亮度和轮廓分布都可通过复振幅得到，因而可方便地用于实现多种测量；(3)由于数字全息采用计算机数字再现，可以方便地对所记录的数字全息图进行图像处理，减少或消除在全息图记录过程中的像差、噪声、畸变及记录过程中CCD器件非线性等因数的影响，便于进行测量对象的定量测量和分析。
目前, 数字全息技术已开始应用于材料形貌形变测量、振动分析、三维显微观测与物体识别、粒子场测量、生物医学细胞成像分析以及MEMS器件的制造检测等各种领域。
虽然国内外在数字全息技术方面已经开展了大量的研究工作，但对于这一全息学领域的最新发展成果及其相关知识的传播和教学方面目前明显落后于科研，在全息学的实验教学上仍然以传统全息成像方法为主，很少涉及现代数字全息学知识，特别是缺少相关的数字全息实验教学仪器设备。
对此，我们设计了可用于数字全息成像实验教学的广义数字全息实验教学系统,该系统不仅包含了数字全息图记录、图像处理、重构再现的算法及其学习操作软件系统，还涉及了空间光调制器在全息再现的应用和光信息安全方面的知识，不但可以演示数字全息记录与成像过程，而且可自主学习和研究不同实验参数设置下的数字全息成像特性。
(二)数字全息记录和再现的基本理论数字全息的记录原理和光学全息一样，只是在记录时用数字相机来代替全息干板，将全息图储存到计算机内，用计算机程序取代光学衍射来实现所记录物场的数值重现，整个过程不需要在暗室中进行显影、定影等物理化学过程，真正实现了全息图记录、存储、重现和处理全过程的数字化。
a.数字全息的光路分析由于数字全息是使用数字相机代替全息干板来记录全息图，因此想要获得高质量的数字全息图，并完好地重现出物光波，必须保证全息图表面上的光波的空间频率与记录介质的空间频率之间的关系满足奈奎斯特采样定理，即记录介质的空间频率必须是全息图表面上光波的空间频率的两倍以上。
但是，由于数字相机的分辨率(约100线/mm)比全息干板等传统记录介质的分辨率(达到5000线/mm)低得多，而且数字相机的靶面面积很小，因此数字全息的记录条件不容易满足，记录结构的考虑也有别于传统全息。
目前数字全息技术仅限于记录和重现较小物体的低频信息，且对记录条件有其自身的要求，因此要想成功地记录数字全息图，就必须合理地设计实验光路。
设物光和参考光在全息图表面上的最大夹角为m ax θ，则数字相机平面上形成的最小条纹间距min e ∆为：()2sin 2max min θλ=∆e (1.1) 所以全息图表面上光波的最大空间频率为： ()λθ2sin 2max max =f (1.2)一个给定的数字相机像素大小为x ∆，根据采样定理，一个条纹周期e ∆要至少等于两个像素周期，即x e ∆≥∆2，记录的信息才不会失真。
由于在数字全息的记录光路中，所允许的物光和参考光的夹角θ很小，因此θθθ≈≈tan sin ，有：x ∆≤2λθ (1.3)所以 x∆=2max λθ (1.4) 在数字全息图的记录光路中，参考光与物光的夹角范围受到数字相机分辨率的限制。
由于现有的数字相机分辨率比较低，因此只有尽可能地减小参考光和物光之间的夹角，才能保证携带物体信息的物光中的振幅和相位信息被全息图完整地记录下来。
数字相机像素的尺寸一般在5—10m μ范围内，故所能记录的最大物参角在2—4度范围内。
只要抽样定理满足，参考光可以是任何形式的，可以使用准直光或是发散光，可以水平入射到数字相机或是以一定的角度入射。
与传统全息记录材料相比，一方面，由于记录数字全息的数字相机靶面尺寸小，仅适应于小物体的记录；另一方面，目前数字记录全息图的数字相机像素尺寸大，分辨率低，使记录的参物光夹角小，因此只能记录物体空间频谱中的低频部分，从而使重现像的分辨率低，像质较差。
综上，在数字全息中要想获得较好的重现效果，需要综合考虑实验参数，合理地设计实验光路。
b.数字全息记录和再现算法图1.1 数字全息图记录和重现结构及坐标系示意图图1.1给出了数字全息图记录和重现结构及坐标系示意图。
物体位于xoy 平面上与全息平面H H H y o x 相距d ，即全息图的记录距离，物体的复振幅分布为()y x u ,。
数字相机位于H H H y o x 面上，()H H H y x i ,是物光和参考光在全息平面上的干涉光强分布。
'''y o x 面是数值重现的成像平面，与全息平面相距'd ，也称为物平面记录面 重现面x y o ()y x u ,Hx H y Ho ()H H H y x i ,'o 'x 'y ()'',y x u z d 'd重现距离。
()'',y x u 是重现像的复振幅分布，因为它是一个二维复数矩阵，所以可以同时得到重现像的强度和相位分布。
对于图 1.1的坐标关系，根据菲涅耳衍射公式可以得到物光波在全息平面 上的衍射光场分布()H H y x O ,为：()()()()[]dxdy y y x x d jk y x u d j e y x O H H jkdH H ⎭⎬⎫⎩⎨⎧-+-=⎰⎰222ex p ,,λ (1.5) 其中λ为波长，λπ2=k 为波数。
全息平面上，设参考光波的分布为()H H y x R ,，则全息平面的光强分布()H H H y x i ,为：()()()[]()()[]*,,,,,H H H H H H H H H H H y x R y x O y x R y x O y x i +⋅+= (1.6) 其中上角标 * 代表复共轭。
用于参考光波相同的重现光波()H H y x R ,全息图时，全息图后的光场分布为()()H H H H H y x R y x i ,,⋅。
在满足菲涅耳衍射的条件下，重现距离为'd 时，成像平面上的光场分布()'',y x u 为： ()()()()()[]H H H H H H H H H jkddy dx y y x x d jk y x R y x i d j e y x u ⎭⎬⎫⎩⎨⎧-+-=⎰⎰2'2'''''2exp ,,,'λ(1.7)将(1.7)式中二次相位因子()()2'2'HH y y x x -+-展开，则(7)式可写为： ()()()()()()H H H H H H H H H H H jkd dy dx y y x x d j y x d j y x R y x i y x d j d j e y x u ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=⎰⎰'''22'2'2'''''12exp exp ,,exp ,'λπλπλπλ(1.8)在数字全息中，为了获得清晰的重现像，'d 必须等于d （或者d -），当0'<-=d d 时，原始像在焦，重现像的复振幅分布为：()()()()()⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡+--=-2212'2'''exp ,,exp ,H H H H H H H jkd y x d j y x R y x i F y x d j d j e y x u λπλπλ (1.9)同理，当0'>=d d 时，共扼像在焦，重现像的复振幅分布为：()()()()()⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=-2212'2'''exp ,,exp ,H H H H H H H jkd y x d j y x R y x i F y x d j d j e y x u λπλπλ (1.10)这样，利用傅立叶变换就可以求出重现像，这也是称之为傅立叶变换算法的原因。
在式(1.9)和(1.10)式中，傅立叶变换的频率为：d x f x λ'= dy f y λ'= (1.11) 根据频域采样间隔和空域采样间隔之间的关系，可得：H x x M f ∆=∆1 Hy y N f ∆=∆1 (1.12) 其中M 和N 分别为两个方向的采样点个数。
